1、會計學1形狀記憶原理及應用形狀記憶原理及應用 形狀記憶合金（shape memory alloy）作為一種新型功能材料已經被廣泛使用。該合金可以認為是始于1963年美國海軍武器試驗室（Naval Ordianace Laboratory）W.J.Buehler博士的研究小組對TiNi合金的研究。他們發現TiNi合金構件因為溫度不同，敲擊時發出的聲音明顯不同，這說明該合金的聲阻尼性能和溫度相關。進一步研究發現，等原子比TiNi合金具有良好的形狀記憶效應。后來TiNi合金作為商品進入市場，給等原子比的TiNi合金商品取名為NiTinol，后面的三個字母就是該研究室的3個英文單詞的第一個字母。目前形

2、狀記憶合金已廣泛應用于航空、航天、能源、汽車工業、電子、醫療、機械、建筑、服裝、玩具等各個領域。 形狀記憶材料主要包括形狀記憶合金、形狀記憶陶瓷和形狀記憶聚合物，其記憶機制各不相同。本章將對與熱彈性馬氏體相變有關的形狀記憶效應做基礎性介紹。 一般金屬材料受到外力作用后，首先發生彈性變形，達到屈服點，金屬就發生塑性變形，應力消除后就留下永久變形。但是有些金屬材料，在發生了較大變形后（遠超過彈性變形極限），經加熱到某一溫度之上，能夠回復到變形前的形狀，這種現象叫做形狀記憶效應（Shape Memory Effect）1。如圖7.1所示。具有形狀記憶效應的金屬通常是兩種以上金屬元素組成的合金，這種金

3、屬合金叫做形狀記憶合金（Shape Memory Alloy）。形狀記憶效果一般以形狀回復率來表示。設試樣在母相態時原始形狀長度為l0，馬氏體態時經形變為l1，經高溫逆相變后為l2，則(%)=(l1-l2)/(l1-l0)100% 形狀記憶合金中的記憶效應是在馬氏體相變中發現的。通常把馬氏體相變中的高溫相叫做母相（P），低溫相叫做馬氏體相（M），從母相到馬氏體相的相變叫做馬氏體正相變，或馬氏體相變，從馬氏體相到母相的相變叫做馬氏體逆相變。 形狀記憶效應的分類形狀記憶效應的分類 形狀記憶效應有三種形式。第一種稱為單向形狀記憶效應，即將母相冷卻或加應力，使之發生馬氏體相變，然后使馬氏體發生變形，改

4、變其形狀，再重新加熱到馬氏體轉變為母相的開始溫度As以上，馬氏體發生逆轉變，溫度升至馬氏體向母相轉變終了溫度Af，馬氏體完全消失，材料完全恢復母相形狀。一般沒有特殊說明，形狀記憶效應都是指這種單向形狀記憶效應。 有些形狀記憶合金在加熱發生馬氏體逆轉變時，對母相有記憶效應；當從母相再次冷卻為馬氏體時，自覺回復原馬氏體的形狀，這種現象稱為雙向形狀記憶效應，又稱可逆形狀記憶效應。第三種情況是在Ti-Ni合金系中發現的，在冷熱循環過程中，形狀回復到與母相完全相反的形狀，稱為全方位形狀記憶效應。 冷卻時，在無應力條件下馬氏體在母相轉變為馬氏體的開始溫度Ms時開始形成。若施加應力，馬氏體可以在Ms以上溫度

5、形成，這種馬氏體稱為應力誘發馬氏體（Stress-Induced Martensite，簡稱SIM）。它的相變驅動力不是熱能而是機械能。 形狀記憶合金記憶效應機理 大部分合金記憶材料是通過馬氏體相變而呈現形狀記憶效應。馬氏體相變具有可逆性，將馬氏體向高溫相（奧氏體）的轉變稱為逆轉變。形狀記憶是熱彈性馬氏體相變產生的低溫相在加熱時向高溫相進行可逆轉變的結果。形狀記憶機制示意圖（拉應力狀態） 設Ms、Mf分別表示冷卻時奧氏體（又稱為母相）向馬氏轉變的開始溫度和終了溫度，、表示加熱時馬氏體向奧氏體逆轉變的開始溫度和終了溫度。具有馬氏體逆轉變，且與溫度相差（稱為轉變的熱滯后）很小的合金，將其冷卻到點以

6、下，馬氏體晶核隨著溫度下降逐漸長大；溫度回升時，馬氏體相又反過來同步地隨溫度上升而縮小，馬氏體相的數量隨溫度的變化而發生變化，形狀記憶效應是熱彈性馬氏體相變產生的低溫相在加熱時向高溫相進行可逆轉變的結果。 母相與馬氏體相變的晶體學可逆性與有序點陣具有密切的關系，晶體學可逆性通過有序點陣的形成自動得到保障，在母相馬氏體母相的轉變循環中，母相完全可以恢復原狀。這就是單程記憶效應的原因。上圖中：a.將母相冷卻到點以下進行馬氏體相變，母相的一個晶粒內會生成許多慣習面位向不同，但在晶體學上是等價的馬氏體，把這些慣習面位向不同的馬氏體叫做馬氏體變體(Variant),馬氏體變體一般有24種，由于相鄰變體可

7、協調地生成，微觀上相變應變相互抵消，無宏觀變形；b.馬氏體受外力作用時（加載），變體界面移動，相互吞食，形成馬氏體單晶，出現宏觀變形； c.由于變形前后馬氏體結構沒有發生變化，當去除外應力時（卸載）無形狀改變；d.當加熱高于Af點的溫度時，馬氏體通過逆轉變將恢復到母相形狀。注意形狀記憶合金在逆轉變過程中，單一位向的馬氏體不會生成多個位向不同的母相變體。上面已多次提到，相變中的晶體學可逆性是熱彈性馬氏體相變的重要特征，在熱彈性馬氏體相變中形成的24種不同位向的馬氏體變體和母相的某一位向的晶格存在著晶格對應關系。正因為這個原因，在熱彈性馬氏體逆相變時能夠完全地回復到和相變前一樣的母相狀態。 132

8、高耐熱高耐熱SMACu-24Al-3Mn合金淬火態馬氏體透射電鏡衍襯像和電子衍射花樣合金淬火態馬氏體透射電鏡衍襯像和電子衍射花樣 (a)淬火態衍襯像；淬火態衍襯像； (b) 010晶帶軸衍射斑；晶帶軸衍射斑； (c) 461晶帶軸衍射斑；晶帶軸衍射斑； (d)231晶帶軸衍射斑；晶帶軸衍射斑；(e)10151晶帶軸衍射斑；晶帶軸衍射斑；(f) 232晶帶軸衍射斑晶帶軸衍射斑_ _ _不同變形量不同變形量Cu-18.4Al-8.7Mn-3.4Zn-0.1Zr合金原位觀察金金相照片合金原位觀察金金相照片 （a)淬火態淬火態 ,(b)4%, (c)5.5%, (d)6.5%，( e)7.5%研究表明

9、，合金呈現形狀記憶效應必須具備如下條件：（1）馬氏體相變是熱彈性的（或半熱彈性）；（2）母相與馬氏體相呈現有序點陣結構（原子有序排列狀態為一種原子周圍出現異類原子的機會大）；（3）馬氏體內部亞結構是孿晶（或層錯）；（4）相變時在晶體學上具有完全可逆性。本實驗研制的相變寬滯后記 憶 管 接 頭(已在美菱冰箱試用2年) 滯后寬度90K 大量使用形狀記憶合金材料的是各種管件的接頭。力大，故連接得很牢固，可防止滲漏，裝配時間短，操作方便。美國自1970年以來，已在F11噴氣戰斗機的油壓系統配管上采用了這種管接頭，其數量超過10萬個，迄今未發現一例泄漏事故。這類形狀記憶合金管接頭還可用于核潛艇的配管、海

10、底管道，電纜系統的連接等 高技術中的應用 形狀記憶合金應用最典型的例子是制造人造衛星天線。由Ti-Ni合金板制成的天線能卷入衛星體內，當衛星進入軌道后，利用太陽能或其他熱源加熱就能在太空中展開。美國宇航局（NASA）曾利用Ti-Ni合金加工制成半球狀的月面天線，并加以形狀熱處理，然后壓成一團，用阿波運載火箭送上月球表面，小團天線受太陽照射加熱引起形狀記憶而恢復原狀，即構成正常運行的半球狀天線，可用于通訊。 衛星天線30- Environmental heatingeastotalqqqqcos1350ssaq cos)(1350FaAFqsaFaTqeee44TqT = 157C (Sunli

11、ght, qs, qa, qe)T = -1C (Shadow, qe): angle between the solar-flux vector and surface normal to the antenna, as: surface absorption for solar radiation, ae:surface absorption for Earth radiation AF: the solar albedo factorThe designed Satellite operating altitude 600-700km, Low Earth 31 Plan View of

12、 the petal locks 由于形狀記憶合金馬氏體相變的自協調和馬氏體中形成的各種界面(孿晶面、相界面、變體界面)的滯彈性遷移，形狀記憶合金會吸收能量而具有很好的阻尼特性。低頻交變應力下，馬氏體相變內耗屬于靜滯型能量損耗機制，內耗與頻率、振幅、溫度及升（降）溫速度沒有本質的依賴關系；高頻時，內耗峰的溫度隨頻率增大而升高，內耗峰是由界面粘滯運動引起的。 阻尼特性 醫學上的應用 作為醫用生物材料使用的形狀記憶合金主要是Ti-Ni合金。Ti-Ni合金強度高，耐腐蝕，抗疲勞，無毒副作用，生物相容性好，可以埋入人體作生物硬組織的修復材料。例如，Ti-Ni合金細絲插入血管，由于體溫使其恢復到母相的網

13、狀，作為消除凝固血 用的過濾器。用Ti-Ni合金制成的肌纖維與彈性體薄膜心室相配合，可模仿心室收縮運動，制造人工心臟。用Ti-Ni合金制成的人造腎臟微型泵、人造關節、骨骼、牙床、脊椎矯形棒、骨折固定連接用的加壓騎縫釘、顱骨修補蓋板，以及假肢的連接等，療效較好。ab1000m1000m記憶合金多孔材料abcd 母相與馬氏體相變的晶體學可逆性與有序點陣具有密切的關系，晶體學可逆性通過有序點陣的形成自動得到保障，在母相馬氏體母相的轉變循環中，母相完全可以恢復原狀。這就是單程記憶效應的原因。上圖中：a.將母相冷卻到點以下進行馬氏體相變，母相的一個晶粒內會生成許多慣習面位向不同，但在晶體學上是等價的馬氏體，把這些慣習面位向不同的馬氏體叫做馬氏體變體(Variant),馬氏體變體一般有24種，由于相鄰變體可協調地生成，微觀上相變應變相互抵消，無宏觀變形；b.馬氏體受外力作用時（加載），變體界面移動，相互吞食，形成馬氏體單晶，出現宏觀變形； 132高耐熱高耐熱SMACu-24Al-3Mn合金淬火態馬氏體透射電鏡衍襯像和電子衍射花樣合金淬火態馬氏體透射電鏡衍襯像和電子衍射花樣 (a)淬火態衍襯像；淬火態衍襯像； (b) 010晶帶軸衍射斑；晶帶軸衍射斑； (